TW383429B - Manufacturing method of a silicon wafer having a controlled BMD concentration in the bulk and a good DZ layer - Google Patents
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Description
經濟部中央標準局員工消費合作社印製 s A 7 l _ B7 v 五、發明説明(1 ) 發明之背景 1. 發明之領域 本發明係關於半導體裝置用之矽晶圓及其製法。本發明 亦關於VLSI等半導體裝置所用之高品質矽晶圓。 2. 相關技藝之説明 矽晶圓係自單一結晶矽錠切割、。矽單晶可藉Czochralski法 而製造,其中材料聚矽置於石英玻璃(Si〇2)之坩堝,在藉加 熱而溶化時,拉出珍單晶並且藉由使用籽晶而生長。 一般而言,氧溶於Czochralski法製造之梦單晶。其乃由於 I ' 氧自石英坩堝溶入熔融矽液體之現象。在拉出單晶後之冷 卻步驟,造成具有由固化溫度(1,420°C )至室溫之溫度歷史( 冷卻歷史),使得在各溫度其中形成缺陷。 許多型式之缺陷中,爲在500-450°C之溫度降低製程,尺 寸爲0.6-0.9 nm之超..4、氡1積(embryo)。在熱處理製程,如裝 '置形成製程,單晶之拉出後,embryo變成沈積晶核並且,生 長成氫沈積(BMD)。BMD在晶圓表面層(其變成裝置活性層) •之沈積爲不希望的,因爲如此造成生成裝置之失敗(例如, 漏電)。 另一方面·,發生於晶圓内部之BMD爲有用之缺陷,因爲 其捕獲被污染之金屬。其稱爲固有聚集(IG)效應。
”HI晶圓”(商標)爲其中在裝置形成製程前,BMD正面地 引入晶圓内部之南品質晶圓。更特別地’ BMD層形成於内 部,而且表面藉由在1,100-1,300°C之氫氣氣氛處理鏡面抛光 、切割晶圓0.1至數小時,而與DZ(剥蝕區)層一起形成。DZ -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4规格(210X297公釐) —---------裝-- * (請先閱讀背面之注意事項\^寫本買) 訂 —線 i _ A7 B7 五、發明説明( 層表示其中不小於20 nm之氧沈積之濃度不高於103公分_3之 無缺陷層。 將變成沈積晶核之embryo(超小氧沈積)之濃度與尺寸,強 烈地視單晶之拉出時之熱應用歷史及熔融矽液體之狀態而 定。因此,BMD之濃度與尺寸,其在氫氣處理自embryo晶 核生長,視以上之條件而大爲改變,生成梦晶圓產物之品. 質之變化。 然而,技術上非常難以嚴格地制單晶拉出條件。因此 ,視爲難以藉由正確地控制自embryo晶核生長之BMD之濃 度與尺寸,而改良矽晶圓之品質。 以下之測量通常取爲自變成裝置活性層之層排除BMD : 造成表面層之氧向外擴散,並且使晶圓在氫、氬等之惰氣 氣氛接受高温熱處_理,而自其散逸;及藉由在氫氣氣氛降 低矽烷型氣體,而在晶圓表面形成取向附生層。通常,這 些熱處理在高達之_^度進行,因爲氧在矽 晶之擴散速度非常低。 然而,在高於1,000°C之溫度,矽晶趨於塑性地變形。因 此,在高溫熱處理時,在晶圓平面大於特定程度之溫度差 可造成塑性變形,生長滑動缺陷。例如,當晶圓之平均溫 度爲1,200°C時,可發生滑動缺陷,即使晶圓之中央對周園 溫度差小至數度。 一般而言,對直徑小於150毫米(6英吋)之晶圓之熱處理 使用水平爐,而對150毫米之晶圓及不小於200毫米(8英吋) 之晶圓的熱處理使用垂直爐。在這些爐,使用金屬加熱器 5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 請 先 閣 讀 背 之 注 意 事 項 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 ε Α7 , Λ __‘ _Β7_ 五、發明説明(3 ) 以加熱爐之全部内部空間。 請 閱 讀 背 Λ 之 注 意 事 項 D 5裝 頁 另一方面,在高於數百度攝氏之高溫處理僅持續短時間 之製程,使用單一型(晶圓接晶圓型)裝置爲方便皀的,其 以燈等正確地控制單晶圓之溫度,並且減少爐内部之熱容 量,而以高速率增加及降低溫度。 晶圓溫度降低或特別是增加時,晶圓平面之溫度差最大 。一種防止滑動缺陷之加熱方法爲以低至幾乎維持平衡狀 態之速率增加溫度。雖然此缓慢溫度增加方法適於供應許 多晶圓之大型爐,因爲增加之製程時間,其無法提供比特 定程度高之生產力。 訂 另一方面,雖然單一型裝置可藉由在晶圓平面藉由對單 晶圓供應最適量之熱,以最適化溫度分佈,而防止滑動缺 陷,因爲處理少量之晶圓,其無法充份地改良生產力。 一般而言,如上所述,BMD藉由造成表面層之氧向外擴 散,並且使晶圓在氫、氬等之惰氣氣氛接受高溫熱處理, 而自其散逸,及藉由在氳氣氣氛降低矽烷型氣體,而在晶 圓表面形成取向附生層,而自變成裝置活性層之層去除。 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 特別是在用於如VLSI之半導體裝置之高品質晶圓之情形 ,如果晶圓.被即使是非常少量之金屬雜質,或甚至存在於 變成活性層之晶圓層(表面層至lOy m之深度)之少量細微 缺陷污染,裝置特徵與可靠度降低。因此,對於以上之習 知方法,難以以高產率製造高度積體裝置用之高品質晶圓 爲了解決此問題,本申請人已提議製造高品質矽晶圓用 6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(2Ι0Χ297公釐) A7 B7 五、發明説明( 之許多方法,這些方法基於固有聚集(IG)法(參見曰本未審 查專利公告Hei. 6-295912與Hei. 6-295913及日本專利申請案 Hei. 6-229765與 Hei. 6-229766)。 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 窝 本 頁 IG法可藉由使晶圓接受袞熱處理以向外擴散氧,而形成 在變成裝置活性層之層僅具有少量缺陷之D Z層。此外,在 IG法,整體產生之BMD可造成矽基質之變形,而謗發而次 移位與堆疊錯誤,其可獲得金屬雜質。 在本申請人提議之方法,實行前階段熱處理以引發錠之 熱履歷,及供應寬氧濃度範圍之晶圓。因Λ:,前階段·熱處 理意圖均勻化BMD之濃度與尺寸》然而,實務上、在變成 裝置活性層之層難以完全向外擴散細微沈積。另一方面, 這些方法具有增加數量之熱處理步驟之缺點,其增加成本 9 詳細考量現在由伴隨高品質晶圓製造之技術問題而產,生 。藉由在100%還原氣體或100%惰氣實行上述之高溫熱處理 ,晶圓表面與DZ層一起形成,而且整體地形成BMD層,两 提供特定程度之IG效果。 經濟部中央標準局員工消费合作社印装 熱處理方法包括溫度增加製程、溫度保持製程、及溫度 降低製程。.例如,自室溫至l,000eC之溫度增加速率爲10°C / 分鐘,及自l,000eC至1,200°C爲3°C/分鐘。溫度保持於1,200 °C超過1小時,然後以3°C/分鐘之速率自丨,200。。降低至800°C。 在溫度增加製程,溫度增加速率設定爲非常低,以防止 滑動移位,及由於爐相關限制。在此逐漸之溫度增加, BMD整體生長,而且氧之向外擴散發生於表面層,而降低 本紙張尺度適用中國國家梂準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 五、發明説明( A7 B7 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 在此之氧濃度。達到保持溫度後,在表面層加速氧之向外 擴散及生成之BMD消失。整體上,氧在晶圓擴散而且BMD 收縮,但是其並未消失,因爲氧之量並未降低太多。 在温度降低製程,由於其低速率,理論上BMD應生長, 即使在表面層。然而,實務上,由於氧之量因向外擴散而 降低,BMD並未生長而允許D Z層之形成。另一方面,BMD 進一步整體沈積及生長。 依照本發明之實驗,在以上之熱處理方法,熱處理後之 BMD濃度視晶圓之起始氧濃度而定。如圖6之星號"# ”所示 ,:BMD濃度隨起始氧濃度增加而增加。 如由圖6所見,在具有超過1.6X 1018原子/公分3之起始氧 濃度之晶圓之情形,超過1(?19公分之BMD藉以上熱處理而 形成。具有如此多BMD之晶圓在金屬雜質聚集效應優異。 但是BMD在變成裝置活性層之層與其鄰近之存在,.在裝置 特徵爲不利的。此外,過量之BMD降低晶圓之機械強度。 在最後之晶圓,高度積體記憶裝置,使變成活性層之層 比在裝置形成製程引入之聚集金屬雜質更接近無缺陷層(橫 向意義)更重要。如此,即使具有接近無缺陷層與低BMD濃 度之晶圓之需求,上述方法仍難以以低成本製造此晶圓。 發明之概要 關於此技藝之以上問題,本發明之目的爲藉由調整BMD 濃度而製造品質穩定之矽晶圓。. 本發明之另一目的爲有效率地以低成本製造一種矽晶圓 ,其具有DZ層(無缺陷層)且實質上不含滑動缺陷(slip defect)。 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(C.NS ) A4規格(210X297公釐) 請 先 閲 讀 背 Sr 之 注 意 事 項 裝 訂 線 A7 B7 五、發明説明(6 本發明之另一目的爲製造在變成裝置活性層之層具有低 的整體BMD濃度與高程度無缺陷之高品質矽晶圓,即使由 具有高氧濃度之晶圓開始。 依照本發明之第一狀態,提供矽晶圓之製法,包含以下 步驟: 引發由單晶矽錠製遠之晶圓之熱履歷,而控制超小氧沈 積之濃度;及 造成再沈積晶核生長同時控制之。. 依照本發明之第二狀態,提供矽晶圓之製法,包含以下 步驟: 將由早晶珍鍵製造之晶圓安置於爐.内; 以15至1,000°C/分鐘之第一速率,增加晶圓溫度至800°C至 1,000°C之範圍;及 以第二、低速率,增加晶圓溫度至l,〇〇〇°C至1,300°C之範 圍;及 保持晶圓溫度於l,l〇〇°C至1,300°C之範圍,不小於5分鐘。 依照本發明之第三狀態,.提供矽晶圓之製法,包含以下 步驟: ^ 製備具有1.4-1.8X 1018原子/公分3之空隙氧濃度之矽晶圓; 將珍晶圓安置於爐内; 以包括氫與惰氣至少之一之氣氛充填爐; 以15至100°C /分鐘之第一速率,增加晶圓溫度至室溫至 900°C之範園,及以1至15°C/分鐘之第二速率至900°C至保持 溫度之範園;及 保持晶圓溫度於保持溫度1分鐘至48小時,其在1,100°C至 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 五、發明説明(7 A7 B7 1,300°C之範圍。 圖式之簡要説明 圖1爲顯示依照本發明第一具體實施例之製法之溫度圖表 圖 圖2爲略示本發明第一具體實施屬製造之.矽晶圓之横切面 9 圖3爲顯示滑動居生—之條件-範.圍_之圖表; 圖4爲顯示依照本發明第二具體.實施例之農法之/溫度屬表 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項 α5裝 頁 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖5爲顯示依照本發明第三具體、實施例之製法與習知製法 之溫度圖表;及 圖6專顯示起始氧濃度與BMD濃度間.之關.係之圖。 較佳具體實施例之説明 具體實施例1 依照此具體實施例之矽晶圓製法使用藉由切割單晶矽錠 而得之晶圓,並且包括控制超小氧沈積(embryo)濃度之熱 履歷引發步驟,及造成沈積晶核再度生長同時控制之經控 制晶核生長步驟。使用這些步驟,亦控制embryo之尺寸。 其中氧沈.積(BMD)濃度已調整至106至1010公分_3之BMD濃 度調整層,藉熱履歷引發步驟與經控制晶核生長步驟而形 成於各晶圓之内側。氧沈積濃度之更佳範圍爲107至109公 分·3。如果氧沈積濃度低於106公分_3,IG效應不足,而如果 氧沈積濃度高於ίοig公分_3,因爲其不足之機械強度而易在 晶圓發生滑動。 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 訂 線 五、發明説明(8 ) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 希望藉由切割單晶矽錠而製造之晶圓之空隙氧濃度〇丨爲 1.2-1.8 X 1018原子/公分3。空隙氧濃度在此範圍之外之處, 即使使用熱履歷引發步驟與經控制晶核生長步驟,亦難以 足夠地增加BMD濃度,即,得到足夠程度之IG效應。 熱履歷引發步驟爲其中晶圓在較佳爲包括氫、氦、與氬 至少之一之氣氛加熱,同時溫度以15-1,000°C分鐘之速率, 增加至700°C至1,000°C之範圍之熱處理步驟。如果溫度增加 速率在此範圍之外,無法確定完全引發embryo之濃度與尺 寸,即,保留一些變化。即,熱履歷無法藉由使embryo在 溶解狀態而引發。 經控制晶核生長步驟爲在較佳爲包括氫、氦、與氬至少 之一之氣氛實行之熱處理步驟,其中溫度在850°C至980°C 之範圍保持固定0.5-60分鐘。以以上之方式,於經控制晶核 生長步驟藉由造成沈積晶核再度生長,同時控制之,而得 到BMD之穩定沈積。 熱履歷引發步驟與經控制晶核生長步驟後,可在包括氫 、氦、與氬至少之一之氣氛,實行其中晶圓加熱同時溫度 以0.5-5°C /分鐘之速率增加至1,000°C至1,300°C之範圍之熱處 理,及其中·溫度在1,100°C至1,300°C之範圍保持固定不小於 5分鐘之熱處理。如此造成BMD在各晶圓内部之穩定沈積( 生長),及使晶圓表面與DZ層一起形成。 DZ層表示無缺陷層,其中不小於20 nm之氧沈積(BMD)之 濃度不高於1〇3公分-3。希望DZ層以至少3 # m之厚度由晶圓 表面形成。如果DZ層比3ym薄,可發生如在裝置形成步 11 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 請 先 閲 讀 背 之 注 意 項 责 裝 訂 五、發明説明(9 A7 B7 驟漏電之失敗,使高品質矽晶圓之製造失效。 圖!顯示此具體實施例之熱處理步躁之溫度應用時間表。 在圖1,"溫度增加速率·!"與"保持溫度十("保持時間_ 各對應熱履歷引發步驟與經控制晶核生長步聲。在對應"溫 度增加速率_2"與"處理溫度-3"("處理時間_3")之步“骤: BMD在各晶圓之内侧穩定地沈積(生長),而且晶圓表面與 DZ層一起形成。 圖2爲略示地顯示此具體實施例製造之矽晶圓之切面圖。 矽晶圓11包括内部BMD濃度調整層13與£)2層12。中間層( 未示)通常形成於層12與13之間。 石夕SB圓_«際上依照此具體實施例之方法與習知方法而製 造,並且彼此比較這些晶圓。 首先’單晶砍錠藉由在許多不同條件下拉出,並且切成 晶圓。表1顯示所測氧濃度値之結果。 這些晶圓在表2所示之處理條件下接受熱處理。對各條件 製備5個晶圓,且一起熱處理。在習知方法,在增加溫度中 間之85 0-980°C並未實行保持步驟。 熱處理後’生成之珍晶圓接受BMD濃度測量,其結果示 於表3。. 請 先 聞 讀 背 之 注 意 I α 裝 頁 訂 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(21 Οχ 297公釐) A7 B7 五、發明説明(1Q表1
拉出條件 氧濃度〇i (原子/ c m 3) A 1.35X 1018 B 1.35 X 1018 C 1.55X 1018 D 1.55X 1018 E 1.60X 1018 F 1.60X 101S 請 先 閲 讀 背 Φ 之 注 意事 項 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) A7 B7 五、發明説明( 11 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Μ j-» H-* UD CD cn Ln OJ K3 H· 條件號碼1 Η2-50% Ar-50% _ He-100% Ar-100% H?-100% H.广! 0 0 % H? -10 0 % Hz-100% r〇 1 〇 〇 ctf> rv> 1 1—* o o h2-ioo% i H2-100% I H2-100% H2 —100% H2-100% Hp 10 0 % H^·" 10 0 % Μ 渐.. \ 7 00 700 700 7 00 7 00 7 00 700 7 00 700 7 00 700 | .700 700 700 800 7 00 二蓉 n y 一i辟 to NO to to to to o ro ro to to to U) to to 〇'§- 3^ 一 1 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 980 850 900 . 900 900 900 保持溫度' (°c) ro to to N3 fO to to CTv H-* to ro NJ 〇 to K) o 福:持-)丨月間 (min) (Ο to CO to ro OJ to fO CO to to fO to ro 增加速率-2 (°C/min) 1,200 1,200 1,200 1,200 1,200 1, 250 .1,100 1,200 1,200 . 1,200 1,200 i 1,200 1,200 1,200 ..1,200 1,200 處理溫度-3 . ·- '(°C) σ\ cn 180 σ\ cn CT\ cn cr\ cr» CTl CTi cn σ\ cn 處理期間-3 (hr) 請 先 聞 讀 背 面 之 注 意 事 項 訂 線 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 五、發明説明(12 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印^ CO 7^ σ ?3 .Ln π cn »T3 Ln 2 办 Lo SJ 70 Η- nd to hd Μ 1 實驗號碑 σ η 〇 ra ra σ 〇 Ο Ο m > CD > Ϊ晶圓. .16C無保持) 16(無保持) cn ΟΊ 14(無#持). 14(無保持): l·-* j-* 丨7(無保持) 7(無保持) *〇 •-J 1(無保持). 1(無保持)| Η 條件號碼- 270 .Ί. Π 0 vi3 Ο CO Ln 570 7 90 1 570 530 —一10。 i 100 , Ό <_Π -ο C3 CO ο 二 cn •A·· A 一.+ ^ td s ^ · ^ 〇 150 Ο 二 ό CD 250 ' 250 510 500 100 Ln Ln -Ο ο Ό Ln ΙΟ ο Μ Ο 二 ο Ln 〇 5> ^cd 390 220 VO CA CD yjD 1100 1050 1 500 ί 590 . 250 1 165 CO ·«〇 ί: 二 fO h-» 最小BMD濃度 (xl0G cm'3) ν〇· 〇 VO V£) UD VO UD UD U3 ο νο VO DZ厚度 (μπι) :習知 習知 本發明 _本發明 ’習知 本發明 1本發明 1 ,習知 習知 I.本發明 ι 1本發明 ι 習知 習知 本發明 I本發明 > ^#------線 -^ t (請先聞讀背面之注意事項|^,^本買)· -15- ‘紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21 OX297公釐) 五、發明説明( 13 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 如由表3所見到,在習知熱處理,即使在切刻鍵時使用具 有相同氧濃度之晶圓,BMD濃度變化超過5 0 %,而且在極 端之情形超過數倍。 相對地,在此具體實施例之熱處理,使用具有相同氧濃 度之晶圓,BMD濃度僅變化小於1 5 %。依照此具體實施例 ,在最差之情形,氧濃度之變化可低至40 %。 預期此具體實施例使BMD大致均勻地分布於晶圓之内部 ,即,此具體實施例可在相同之晶圓使BMD濃度之變化非 常小。 依照此具體實施例,晶圓内部之BMD濃度藉熱履歷引發 步驟與經控制晶核生長步驟而調整。因此,製造呈現優異 I G效應及品質穩定之矽晶圓爲可能的。 具體實施例2 圖3爲顯示在矽晶圓存在溫度差異之情形,滑動缺陷之發 生條件範圍之圖表,其中水平軸表示晶圓之平均溫度。曲 線上之圖表部份爲滑動發生範圍。本發明人已發現,晶圖 之溫度分布在滑動發生範園時,滑動以高可能性發生。 如由圖3所見到,溫度超過1,000°C時,滑動缺陷之發生可 能性急劇地增加,即,滑動缺陷變爲明顯,即使晶圓具有 小的溫度差異。因此,在高於1,000°C之溫度,需要夠嚴格 地管理晶圓溫度。 關於滑動缺陷發生之以上本性,此具體實施例使用以下 之熱處理,以在矽晶圓變成裝置活性層之層形成無缺陷層 (DZ層)。實行起始溫度增加步驟,其中溫度以15-100°C /分 16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 請 先 閱 讀 背 δ 之 注 意 事 項 〇 寫 本 頁 裝 線 五、發明説明( 14 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 鐘之速率,增加至800°C至1,000°C之範圍,然後實行缓和溫 度增加步驟,其中溫度以低速率增加至1,000°C至1,300°C之 範圍,及最後實行溫度保持步驟,其中溫度在1,100°C至 1,300°C之範圍保持固定不小於5分鐘。 較佳爲,在緩和溫度增加,溫度增加速率爲0.5 - 1 0 °C /分 鐘。甚至較佳爲,在此步驟,溫度增加速率爲1-5 °C/分鐘 〇 如果溫度增加速率低於0.5 °C,熱處理發生長時間,使製 造成本變成不當地高。如果高於1 〇°C /分鐘,晶圓之溫度差 異變成太大,而無法正面地防止滑動缺陷之發生。 如果起始溫度增加步驟以低於15°C/分鐘之速率實行,可 在晶圓内部造成結晶缺陷之細微晶核(embryo)生長而增強 BMD之產生,無法形成良好之無缺陷層。因爲給予晶圓之 大熱應力,高於l〇〇°C/分鐘之溫度增加速率並不實際。 至於溫度保持步驟,如果保持溫度低於l,〇〇〇°C,向外氧 擴散之效率太低,而無法形成良好之無缺陷層。如果高於 1,300°C,BMD在晶圓内部過度地生長,而降低其機械強度 〇 較佳爲,·以上之熱處理在包括氫、氦、與氬至少之一之 氣氛實行。 藉由實行以上之熱處理,晶圓表面與無缺陷層(DZ層)一 起形成,其不薄於3ym而且其中氧沈積濃度(BMD)不高於 103公分_3。如果DZ層薄於3" m,因爲如在裝置形成步驟之 漏電之問題而無法得到南品質晶圓。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 請 先 閲 讀 背 Λ 之 注 意 事 項 裝 訂 線 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明(15 ) DZ層厚度之上限設定於約30 y m,因爲如果DZ層比約30 A m厚,在晶圓内部形成之BMD層之DZ層發生如聚集效應 降低之問題。 以上之熱處理可在矽晶圓内部形成BMD層。BMD層爲含 氧沈積並且呈現固有聚集(IG)效應之層。爲了形成此BMD 層,希望藉由切割單晶矽錠而得之晶圓具有1.2-1.8x 1018原 子/公分3之間隙氧濃度〇i。 圖4顯示依照此具體實施例之熱處理步驟之實例。在圖4 ,由爐輸入溫度T1°C至1,000°C之溫度增加步驟以”溫度增加 速率-Γ表示,由1,000°C至1,200°C之溫度增加步驟以、溫度 增加速率_2”表示,及這些溫度增加步驟後實行之溫度保持 步驟以”熱處理"表示。 矽晶圓實際上藉此具體實施例之方法而製造。至於比較 例,矽晶圓亦藉由改變部份之熱處理條件而製造。. 首先,具有1.3 X 1018、1.5 X 1018與1.7X 1018原子/公分3之 平均氧含量之矽晶圓(各以W-A、W-B與W-C表示)藉由在不 同拉出條件下拉出單晶矽錠及切割這些錠而形成。 這些晶圓接受表4所示之熱處理,其中HT01-HT10爲比較 例,及HT11-HT38爲此具體實施例之實例。 HT01-HT05爲其中溫度增加速率保持固定於2-30°C/分鐘之 範圍之比較例。HT06與HT07爲其中晶圓輸入後之溫度增加 速率-1設定於30°C /分鐘,而且以後之溫度增加速率-2降低 至20至15°C/分鐘之比較例。HT08爲其中處理氣氛爲氬而非 氫之比較例。HT09與HT10爲其中溫度增加速率-1增加至40 (請先閲讀背面之注意事項寫本頁) .裝·
、1T 線 -18- 本紙張;適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) A7 B7 五、發明説明(16 ) 或50°C/分鐘之比較例。 HT11-HT13爲其中爐輸入溫度各設定於600°C、700°C與800 °C之具體實施例之實例。HT14-HT18爲與HT12相同,除了 溫度增加速率-2各設定於0.5、1、5、10與15°C/分鐘之具體 實施例之實例。HT19-HT22爲與HT12相同,除了溫度增加 速率_1各設定於20、50、60與8〇°C/分鐘之具體實施例之實 例。HT23-HT26爲與HT12相同,除了 ”處理溫度”各設定於 1,100°C、1,150°C、1,250°C與 1,290°C 之具體實施例之實例。 HT27與HT28爲與HT12相同,除了處理氣氛各爲氬與氦而非 氫之比較例。HT29-HT33爲其中熱處理在氫、氬、與氦之2-成份或3-成份氣體氣氛進行之比較例。 ----------聋-- (請先聞讀背面之注意事項U寫本頁) -6 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -19- 本紙張^度適用中國國家標準((:阳〉人4規格(210\:297公釐) A7 B7 17 五、發明説明( 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 HT01 ΗΤ02 ΗΤ03 ΗΤ0 4 ΗΤ05 ΗΤ06 ΗΤ0 7 ΗΤ08 ΗΤ0 9 ΗΤ10 ΗΤ11 ΗΤ12 ΗΤ13 ΗΤ14 ΗΤ15 ΗΤ16 ΗΤ17 ΗΤ18 ΗΤ19: ΗΤ20 ΗΤ21 ΗΤ22 3/免碼 1 1 1 1 1 » 1 XXXXXXXXXXXO: pororororOrorororoporoiO p〇 J-Jrsjisipopofoforo 1 1 — i 1 i __I_ Μ 绛... 1 *»0 -Ο Ό -*J Ό -O CO -O O'» 〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇.〇〇 oooooooooooo oooooooooo oooooooooo 门兑 Ν—^ • . ♦ CDCnLniOU)UJU>U)L〇U>U)U) oooooooooooo Ln^OJUJOJ.-. j-^iOUJ 00000 ^0 o o 增加速率-1 (°C/min) OOOOOOOOOOOO oooooooooooo oooooooooooo • . *»-*1—*1—"l·-* *··、、》>·、·《·*»····»«·· oooooooooo oooooooooo oooooooooo 速率改變 溫度 (°C) LnLnLnuij^^uii-· - to to to LT> UiLnOlOlO^^O. oo . 增加速率 (°C/min) rvJtOfOtOtOiONJlO fO to oooooooooooo oooooooooooo >—*h-*»—•l·-1!—*»—·ΜΗ-*ί— ·»*»·«····«»*··、、···*>* fOtONJfOCOtOlONJtOiO oooooooooo oooooooooo 處理温度 (°C) O^O^O'kCTiCnC^CrvCriCnCAO'iCr» oooooooooooo 1 O^CTtO^CTiCACriCnCr^CriO^ oooooooooo 處理期間, "(min) 本發明 比較例 〇«\« pr 20 請 先 閱 讀 背 Φ 之 注 意 事 項 α 寫 本 頁 裝 訂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21〇X297公釐) B7 五、發明説明(18 ) n: a: tc d: X U) OJ U> OJ co ό cr> cn 办 k a a κ d: a d: U) U> UJ uj nj nj nj nj nj nj sj uj ί〇 I-* o voco-ocr>Ln^〇j
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7 B 五、發明説明(20 ) 表5 經濟部中央標準局員工消費合"'社印製 晶圓型式 條件 DZ層厚度(y m) 滑動規模 W-A ΗΤΟΙ 9 大 ΗΤ02 9 大 ΗΤ03 9 中 ΗΤ04 10 小 ΗΤ05 10 無 ΗΤ06 9 大 ΗΤ07 9 中 ΗΤ08 9 中 ΗΤ09 9 中 ΗΤ 1 0 9 大 W-A ΗΤ 1 1 10 無 ΗΤ 1 2 10 無 ΗΤ 1 3 10 無 ΗΤ 1 4 12 無 ΗΤ 1 5 11 無 ΗΤ 1 6 10 無 ΗΤ 1 7 10 無 ΗΤ 1 8 9 小 ΗΤ 1 9 10 無 ΗΤ20 10 無 ΗΤ2 1 10 小 ΗΤ22 10 小 ΗΤ23 6 無 ΗΤ24 8 無 ΗΤ25 18 無 ΗΤ26 27 小 ΗΤ27 9 ΗΤ28 9 無 ΗΤ29 9 無 ΗΤ3 0 10 無 ΗΤ3 1 1 0 ΗΤ3 2 10 ΗΤ3 3 10 ΗΤ3 4 3 ΗΤ3 5 5 ΗΤ3 6 7 ΗΤ3 7 15 A . ΗΤ3 8 . 2 1 無 I---------裝-- t (請先閲讀背面之注意事項寫本頁)
*1T —線 © -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 五、發明説明(21 ) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 表6 晶圓型式 條件 DZ層厚度〇 m) 滑動規模 W-B HT0 1 9 大 ΗΤ02 9 大 ΗΤ03 9 ^中 ΗΤ04 9 無 ΗΤ05 10 無 ΗΤ06 9 大 ΗΤ07 9 中 ΗΤ08 9 中 ΗΤ0 9 9 中 ΗΤ 1 0 9 大 W-B ΗΤ 1 1 10 無 ΗΤ 1 2 10 無 ΗΤ 1 3 10 無 ΗΤ 1 4 11 無 ΗΤ 1 5 10 無 ΗΤ 1 6 10 無 ΗΤ 1 7 10 無 ΗΤ 1 8 9 無 ΗΤ 1 9 10 無 ΗΤ20 1 0 無 ΗΤ2 1 10 無 ΗΤ22 10 小 ΗΤ23 6 無 ΗΤ24 8 無 ΗΤ25 18 小 ΗΤ26 26 小 ΗΤ27 9 無 ΗΤ28 9 無 ΗΤ29 9 無 ΗΤ30 10 無 ΗΤ3 1 10 ΗΤ3 2 10 ΗΤ3 3 10 ΗΤ3 4 3 ΗΤ3 5 5 ΗΤ3 6 7 A ΗΤ3 7 15 ΗΤ3 8 2 1 無 ----------裝— (請先閔讀背面之注意事項^:寫本頁) 訂 —線 -24- 本纸張Λ度適用中國國家標準(CNS ) Α4ϋ格(210X297公釐)
A
7 B 五、發明説明(22 ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 表7 晶圓型式 條件 DZ層厚度〇 m) 滑動规模 W-C ΗΤΟΙ 8 大 ΗΤ02 9 中 ΗΤ03 9 中 ΗΤ04 9 無 ΗΤ05 10 無 ΗΤ06 9 大 ΗΤ07 9 小 ΗΤ08 9 小 ΗΤ09 8 中 ΗΤ 1 0 8 大 W-C ΗΤ 1 1 9 無 ΗΤ 1 2 9 無 ΗΤ 1 3 9 無 ΗΤ 1 4 10 無 ΗΤ 1 5 10 無 〇 ΗΤ 1 6 9 無 ΗΤ 1 7 9 無 ΗΤ 1 8 9 無 ΗΤ 1 9 10 無 ΗΤ20 1 0 無 ΗΤ2 1 9 無 ΗΤ22 9 小 ΗΤ23 5 無 ΗΤ24 7 無 ΗΤ25 1 7 小 ΗΤ26 25 小 ΗΤ27 9 無 ΗΤ2 8 9 無 ΗΤ29 9 無 ΗΤ3 0 10 無 ΗΤ3 1 10 無 ΗΤ3 2 10 無 ΗΤ3 3 10 ΗΤ3 4 3 ΗΤ3 5 5 ΗΤ3 6 7 ΗΤ3 7 14 ΗΤ3 8 19 無 (請先閲讀背面之注意事項飞j寫本頁) -裝. ,ιτ —線 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 毛 A7 、 1 _ _ B7 五、發明説明(23 ) 如由以上之實驗所明顯可知,此具體實施例可有效及以 低成本製造高品質矽晶圓,其表面與厚度超過3 m之DZ層 一起形成,而且實質上無滑動缺陷。 應注意,此具體實施例可應用於已藉F Z (浮動區)法製 造,並且具有相當小氧含量之梦晶圓。亦在此情形.,此 具體實施例可藉由形成DZ層同時進一步降低表面層之氧 濃度,而修改晶圓表面。 具體實施例3 應注意,此具體實施例出現之氧濃度値爲依照舊ASTM之 轉換係數者。 首先爲BMD在熱處理晶圓之一般行爲之説明。依照古典 晶核形成理論,BMD生長或收縮,使得超飽和氧連接或自 作爲均質晶核之氧群去除。不論BMD生長或收縮/消失均視 有關之時間點時之臨界晶核半徑而定。臨界晶核.半徑藉 BMD之尺寸、溫度、與氧濃度而決定。臨界晶核半徑在較 高溫度較大。晶圓保持於特定溫度之處,在此溫度大於此 臨界晶核半徑之BMD持續生長’而小於此臨界晶核半挺之 BMD收縮/消失。 藉由應用.以上之知識於晶圓製造,本發明人已發現,適 於高度積體裝置製造之晶圓可藉由適當地控制BMD行爲而 製造,而完成本發明之此狀態。 此具體實施例特徵爲,具有1.4-1.8x 1018原子/公分3之間 隙氧濃度〇i之矽晶圓接受溫度保持步驟,其在包括至少氫 與惰氣之氣氛,於l,l〇〇°C至1,300°C間之溫度實行1分鐘至48 26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(2ΙΟΧ:297公釐) 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 Η 窝 本 頁 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明(24 ) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 小時,而且室溫至900°C之範圍之溫度增加速率設定於15-100°C /分鐘,及900°C至保持溫度之範圍之溫度增加速率設 定於1-15°C /分鐘。 至於溫度保持步驟,如果保持溫度低於1,100°C,無法使 BMD濃度變低。如果其超過1,300°C,無法確定製造裝置之 安全性與可靠性。 如果溫度保持步驟之時間短於1分鐘,無法使BMD濃度低 到足以確定本發明之意圖效果。即使溫度保持步驟持續超 過4 8小時,無法到附加之效果。 至於溫度增加步驟(室溫至9 0 0 °C ),積由設定溫定增加速 率於不小於1 5 °C /分鐘,臨界晶核半徑之有效增加速率可高 於BMD之有效生長速率。結果,臨-界晶.梭丰.在太於汰部份 杂在、ΒΜΕ»之^_徑,d而。然而,由於溫度增加速率 相當高而且溫度增加速率僅持續短期間,在此步驟完全消 失之BMD數量不大(在特定條件下幾乎無BMD消失)。大到足 以被偵檢之BMD數量自然降低一些程度。 較佳爲,室溫至900°C之範圍之溫度增加速率設定爲不低 於20°C /分鐘。甚至較佳爲以上之溫度增加速率設定爲不低 於30°C/分鐘。藉由使用此高溫度增加速率,可進一步降低 大(或可偵檢)BMD濃度。 在900 °C至保持溫度之範圍,如果溫度增加速率超過15 °C/分鐘,BMD濃度變低,使得聚焦效果變爲不足,而且易 於發生滑動,其在裝置形成步驟造成問題。如果溫度增加 速率低於1 °C /分鐘,BMD濃度變成太高而無法確定本發明 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項 寫 本 頁 裝 訂 A7 B7 五、發明説明(25 ) 之意圖效果。生成之晶圓對高度積體裝置之形成不穩定。 較佳爲,室溫至900°C之範圍之溫度增加速率設定爲5-10 °C /分鐘。在此情形,可增強本發明之上述優點。 請 閱 讀 背 Φ 之 注 意 事 -項 參考圖5,實線a表示此具體實施例之熱處理方法之實例 .,而虛線b表示習知熱處理方法之實例。 藉由實行以上之熱處理,此具體實施例可形成不薄於10 A m(如由表面測量),而且直彳呈不小於20 nm之BMD濃度不 超過103公分-3之DZ層,及具有1 X 103公分_3至指數(9.21 X 10 _18x 〇i+3.224)公分之氧沈積濃度之整體部份。此矽晶圓對 應圖6之圖表之區域A+B+C。 較佳爲,BMD濃度爲1 X 103公分_3至1 X 108公分_3與指數 (9.210 X 10 _18x 〇i +3.224)公分·3(圖6之區域A + B)之較小者 。甚至較佳爲,BMD濃度不高於指數(5.757 X 10_18 X 0丨 +3.224)公分-3(圖6之區域A)。 具有以上範圍内之BMD濃度之晶圓呈現聚焦功能。此外 ,優異之DZ層(無缺陷層)形成於變成裝置活性層之表面層 ’並且確定足夠之機械強度。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 較佳爲,實質上無BMD存在於表面DZ層。以以上之方式 指定DZ層之BMD濃度範圍之原因爲,目前可得測量裝置之 最小可偵檢BMD尺寸爲20 nm,而且稱具有高於103公分·3之 BMD濃度之狀態爲”無缺陷”並不適當;即,此晶圓負面地 影響其上所形成裝置之特徵。 現在爲依照此具體實施例之實例1-5及比較例卜4之説明 。用於實例1 - 5及比較例1 - 4之晶圓爲自Czochralski法製造 -28 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) A7 B7 五、發明説明(26 ) 之梦鍵切割,並且接受一般鏡面抛光者。晶圓爲N-型,並 且具有(100)之表面定向及1-1,000 · Ω公分之電阻率。起始 間隙氧濃度〇i爲1.4-1.74 X 1018原子/公分3。使用其中改良隔 熱並且增加熱源產生之熱量之垂直熱處理爐。 實例1 .上述之晶圓中,具有1.7 X 1018原子/公分3之濃度q之晶圓 在loo%氫氣氛接受17〇ο°ς之熱處理(保持步驟)ι小時。700 °C至900°C間之溫度增加速率設定於i〇°C /分鐘,及900°C至 1,200°C間爲10°C/分鐘。溫度降低速率設定於3°C/分鐘。 實例2 具有1.61X 1018原子/公分3之0丨之晶圓以如實例1之相同方 法接受I處理。 實例3 具有1.5 lx 1018原子/公分3之0丨之晶圓以如實例1之相同方 法接受熱處理。 實例4 在如實例1之相同條件下進行熱處理,除了 700°C至1,000 °C間之溫度增加速率設定於2〇°C (倉着:,及1,000°C至l,2〇0°C 間爲1Λ C. /分鐘。 實例5 具有1.43 X 1018原子/公分3之〇i之晶圓以如實例1之相同方 法接.受熱處理。 比車交例1 上述之晶圓中,具有1.7 X 1018原子/公分3之濃度0彳之晶圓 29- 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 , A7 , 1 B7五、發明説明(27 ) 在100%氫氣氛接受1,200°C之熱處理(保持步驟)1小時。700 °C至1,000°C間及1,000°C至1,200°C間之溫度增加速率均ώ变 於1Q°C/分鐘。溫度降低速率設定於3°C/分鐘。 比較例2 具有1.61 X 1018原子/公分3之q之晶圓以如比較例1之相同 方法接受熱處理。 比較例3 具有1.51 X 1018原子/公分3之q之晶圓以如比較例1之相同 方法接受熱處理。 比車交伤4 具有1.43 X 1018原子/公分3之〇i之晶圓以如比較例1之相‘同 方法接受熱處理。 藉紅外線斷層照相測量發生於已接受實例1-5及比較例1-4 之熱處理之各晶圓((110)橫切面)之BMD濃度。使甩之紅外 線斷層照相方法之最小可偵檢BMD尺寸爲20 nm。BMD濃度 之4貞檢限制視測量區域而定。在有關之測量,測量區域爲 包括4 a m X 200 y m之晶圓’表面積,並且具有185 a m之深度 之長方形平行管狀區域。在此情形,BMD濃度之偵檢限制 爲6.8 X 106公分_3。在這些條件下,關於由表面開始偵檢時 ,本發明定義之QZ層厚度(不小放2〇 nm之濃垮不超過 103公合_3之層)對;古典領珐:!:先及檢度。 測量結果及熱處理條件示於表8與9。圖6爲顯示起初氧 濃度與BMD濃度間之關係之圖表。表中之”DZ層厚度"表示 ,由表面開始偵檢時,不小於20 nm之BMD首先被偵檢到之 (請先閲讀背面之注意事項/'1.〆寫本頁) -裝·
’1T -線 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 五、發明説明(28 ) A7 B7 深度(DZ層不含不小於20 nm之BMD)。 如由圖6之表8與9所見到,此具體實施例可形成良好之 DZ層,即使使用具有高起始氧濃度0丨之晶圓。此外,可降 低整體部份之BMD濃度。 即,此具體實施例可形成不薄於10 A m(如由晶圓表面所 測量)之DZ層(無缺陷層),而且其中直徑不小於20 nm之BMD 濃度不超過1〇3公分-3,並且具有1 X 1〇3公分-3至指數(9.21 X 10_18x 〇i+3.224)公分_3之氧沈積濃度之整體部份。 因此,依照此具體實施例,變成裝置活性層之層可視爲 無缺陷,並且可降低在此層附近之BMD濃度,使得其可以 高產率製造具有優異特徵之裝置。 相對地,在此具體實施例範圍外之條件接受熱處理之比 較例1-4之晶圓,對於較高之起始氧濃度,BMD濃度較高 。雖然即使在比較例1 -4亦形成DZ層,BMD以高濃度而形 成於晶圓内部,其表示大量之BMD存在於DZ層附近。存在 於變成裝置活性層之晶圓表面層附近之大量BMD可能退化 裝置特徵。此外,晶圓之機械強度降低。 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項 v ) 寫 本 頁 裝 訂 _ 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 五、發明説明(29 ) A7 B7 表8 Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Ex. 4 Ex.5 圖6之標記 0 0 0 0 0 0; (X 1018原子/cm3) 1.70 1.61 1.51 1.70 1.43 氣氛 100%氫氣 處理溫度 處理期間 UhM 增加速率 (°C/min) M. 3£ 3Ώ. 2£L -SO 降低速率 (°C /min) 3 3 3 3 3 DZ層厚度〇m) 80 130 70 150 整體BMD濃度 (xcaS^cm-3) 1.7 1.7 1.7 1.7 --LJ- 請先閱讀背面之注意事項,14寫本頁 裝. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 表9 Comp. Ex. 1 Comp. Ex. 2 Comp. Ex. 3 Comp. Ex. 4 圖6之標記 • 參 • • c^(x 1018 原子/cm3) 1.70 1.61 1.51 1.43 氣氛 100%氫氣 處理溫度 1,200°C 處理期間 1小時 增加速率 (°C/min) 10 10 10 10 降低速率. (°C/min) 3 3 3 3 DZ層厚度(;u m) JLOl .1Ώ 整體BMD濃度 (x^S>cm-3) αία Λ0 依照此具體實施例,即使使用具有高起始氧濃度之晶圓 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 訂 —線 & A7 B7 五、發明説明(30 ) ,可形成良好之無缺陷表面層,而且可使整體部份之BMD 濃度變低。因此,以高產率製造高度積體裝置用之高品質 矽晶圓爲可能的。 此外,藉由使用依照此具體實施例製造之矽晶圓,可以 高產率製造具有優異特徵之高度積體裝置。 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 讀裝_本衣 頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -33 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X:297公釐)
Claims (1)
- 申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 1. 一種矽晶圓之製法,包含以下之#驟: 製備具有1018原子/佥分3之空隙氧濃度之矽晶 圓; .將矽晶:圓安置於爐内又 以包括氤與惰氣至少之二之象產^充填壚; 在案溫赳900°C之範圍内以15至100°C /分鐘之第一速姿 增知晶,.溫度,並在_到保邊H之範圍内以J至15 °Q /分鐘之第二途率增加晶圓溫度;及 侍持晶圓溫_复於1,10CTC J :U30Q°C_^範圍内之保持溫度 1分鐘48J、時。 2..根據申請專利範圍第1項之製法,其中第-速^爲20至 100°C/分鐘。 3. 根據申請專利範圍第1項之製法,其中參> 篆專爲3〇至 100 C. /分鐘。 4. 根據申請專利範圍第1項之製法,其中第二%.爲5至10 C /分鐘。 5. 一種玫爽圓,包含无聲赴uil而且其中直輕ϋ'·.發20 nm之^氣沈積ϋ度不毒遇丄0§公分·3,並且具有H I -3 I沪,X 免.沿金i爷之氧..您獍之整 霞J1L#的無^陷·層,其中〇i爲間隙氧濃度,該矽晶圓藉 由根據申請專利範圍第1項之製法而製成者。 請 先 聞 面 之 注 意 事\β f 裝 訂 線 表紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐)
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